Rüzgar Türbininde Kullanılan AC/DC Çeviricilerde Uzay Vektörü Modülasyonu Yöntemi ile Kontrol

Transkript

1 Rüzgar ürbininde Kullanılan AC/DC Çeviricilerde Uzay ektörü Modülayonu Yöntemi ile Kontrol Cenk Cengiz Eyüp Akpınar Dokuz Eylül Üniveritei Elektrik ve Elektronik Mühenliği Bölümü Kaynaklar Yerleşkei, Buca-İzmir Özet: Bu çalışmada rüzgâr türbinine bağlı jeneratör ile şebeke araındaki AC/DC doğrultucunun uzay vektörü modülayonu ile kontrolü analiz elmiştir. Şebeke ile AC/DC doğrultucu araında bulunan endüktan ve onun renci kkate alınmış ve Matlab Simulink de analiz yapılarak elde elen onuçlar yorumlanmıştır. Uygulanan algoritma ile giriş güç faktörünün yaklaşık bir olduğu görülmüştür ve giriş akımlarının inü dalgaı şeklinde şebekeden çekilmei ağlandığından reaktif güç kompanzayonuna gerek olmamaktadır. 1. Giriş Son zamanlarda tüm dünyada ve ürkiye de yenilenebilir enerji kaynakları önem kazanmıştır. Artan nüfu ve anayileşme ile beraber enerji tüketimi de artmaktadır. Bu artan enerji talebini karşılamak için, gelecekte biteceği bilinen ve çevreye olumuz etkileri olan foil yakıtlar yerine ken öz kaynaklarımız olan yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanmak önemli ölçüde itihdam ve birincil enerji kaynaklarından taarruf ağlayabilir. Bu yenilebilir enerji kaynakları araında en önemlilerinden birii rüzgâr enerjiir. Rüzgâr enerjiinin kullanımı ülkemiz için önemli bir potaniyelr, temizr ve her şeyden önemlii doğal dengeyi olumuz etkilememekter. Rüzgar gücünden elektrikel güç elde etmede kullanılan itemin içinde güç elektroniği devrei önemli bir bölümüdür. Son yıllarda yükek akım harmoniği ve düşük güç faktörü altında çalışan yotlu ve tritörlü AC/DC çeviriciler yerine darbe genişlik binrimli (PWM) AC/DC çeviriciler yaygınlaşmıştır. Yükek performanlı bu çeviriciler şebekeden reaktif güç çekmemekter (giriş güç faktörü bire eşittir), bu yüzden ek bir reaktif güç kompanzayon devreine gerek yoktur [1]. Uzay vektörü modülayonu tekniği, DSP ve benzeri ayıal kontrol devreleri aracılığı ile kolayca uygulanabilir [2]-[]. Bu çalışmada, giriş güç faktörünü bir elde etmek ve hat akımlarındaki harmonik bozulmayı minimum eviyede tutmak için, -faz gerilim kaynaklı darbe genişlik binrimli AC/DC çeviricilere uzay vektörü modülayonu algoritmaı uygulanacaktır. Bu algoritmada anahtarlama ıraı ve ürei, referan gerilim bilgiinin uzay vektörü düzlemindeki poziyonuna göre heaplanacaktır. 2. Kontrol Sitemi AC/DC çevirici, çıkışında abit bir DC gerilim verirken, giriş hat akımları birim güç faktöründe ve inü dalga şeklinde tutulabilmekter. Ayrıca aktif güç akışı her iki yönde de (şebekeden jeneratöre ve jeneratörden şebekeye doğru olmak üzere) kontrol edebilebilmekter. -Faz şebekede faz geriliminin tepe değeri E, eri bağlı endüktan L ve renci R olarak alındığında, AC/DC çevirgeç girişindeki terminal gerilimleri ( a, b, c ) aşağıdaki gibi ifade elebilir [4]. a = Ein( ωt) R i a a a R i a a b 2 b b = Ein( ωt ) R i b b R i b (1) 2 c = Ein( ωt + ) R i R i

2 ω (rad/) şebeke frekanı; i a, i b, i şebekeden çekilen hat akımlarıdır. -Faz gerilim kaynaklı darbe genişlik binrimli AC/DC çevirici için kontrol iteminin göterimi Şekil 1 de verilmiştir. Bu doğrultucunun çıkışı inverter aracılığı ile jeneratöre bağlıdır [5]. Ancak bu çalışmada item içeriinde bulunan adece AC/DC doğrultucu irdelenği için doğrultucu çıkışı aktarılan aktif güç çıkışa bağlanan R dc renci ile temil ettirilmekter. Şekil 1. Darbe genişlik binrimli AC/DC çeviricinin kontrol devrei Kontrol devrei DC gerilim regülayonu (dış döngü) ve faz regülayonundan (iç döngü) oluşur. Gerçek DC gerilimi ( dc ), itenen DC gerilimle ( * * dc ) karşılaştırılır ve çıkan hata ( dc dc ) bir PI kontrol devreinden geçirilir. Dış döngüdeki PI çıkışı, referan akımın genliğini (I * m ) oluşturur. Bu genlik değeri, A ve 2 * B fazına ait hat gerilimlerinin örneklenmiş biçimi ile çarpılıra ( in A = in( ωt) ve in B = in( ωt - ) ) i a ve * i b referan akımları bulunur. Bu referan akımlarının bir onraki anahtarlama periyodunda gerçek inyallere eşit olmaı itenir. Bu referan akımlardan gerçek akımlar ( i a, i b ) çıkartılıp, elde elen farklara αβ tranformayonu uygulanır, hat akımlarındaki itenen değişim elde elir. Endüktan üzerinde oluşmaı itenen gerilim * L = L I / den bulunur. Bu eşitlikte anahtarlama periyodudur. Dengeli bir durumda, AC/DC çeviricinin AC tarafındaki itenen gerilim komutu ( ref ) aşağıdaki eşitlikten bulunur [6]: I ref. (2). Uzay ektörü Modülayonu Uzay vektörü modülayonu tekniği, referan olarak girilen gerilimi AC/DC çeviricinin çıkışında elde etmek için kullanılan ayıal bir tekniktir. Bu teknikte her örnekleme periyodunda hangi anahtarlamaların yapılacağı ve anahtarlama üreleri heaplanır. oplam ekiz adet anahtarlama (q 1 q 2 q =000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111) durumu vardır. q 1 q 2 q, 1, ve 5 in anahtarlama durumlarıdır. Bu anahtarlama durumları, uzay vektörleri ( 1,2,, 4,5,6,7,0 ) cininden denklem () kullanılarak heaplanır: α 2 = β 1 dc 2 0 1/ 2 / 2 q1 1/ 2 q2. () / 2 q

3 ( / 2) çarpanı hat gerilimleri ve etkin (rm) değerleri ile işlem yapıldığı için eşitlik içinde görülmekter. Denklem () deki heaplamalar yapıldığında altı adet vektörün konumu olan n jn dce = n=0,1,.5 (4) ile ıfır gerilim uzay vektörleri olan 0 = 0 ve 7 = 0 elde elir, bu vektörler Şekil 2 de göterilmiştir. Bu vektörlerin altı tanei aktif gerilim uzay vektörlerir ( n+1, n=0 5), ğer iki tanei ıfır gerilim uzay vektörlerir ( 0, 7 ). Bu vektörlerin aralarında kalan altı bölge (I,II,,I) vardır. Kontrol iteminden elde elen gerilim komutu (referan gerilim) ref in ürekli genliği ve açıı değiştiği için her örnekleme periyodunda ( ) ref Şekil 2 de farklı bir konuma gelir. Bulunduğu bölge, ref α + jβ γ eşitliği kullanılarak belirlenir. Gerilim komutu ( ref ), i ve i+1 (i=1,2 6) aktif gerilim uzay vektörleri araında bir yerde olduğunda, bulunduğu bölgeye komşu olan aktif gerilim uzay vektörleri ( i ve i+1 ) ve ıfır gerilim uzay vektörleri ( z = 0 veya 7 ) bileşenleri cininden yazılabilir. Örnek olarak ref, I. bölgede ie ref gerilim komutu 1, 2 ve z uzay vektörleriyle aşağıdaki gibi ifade elebilir: ref z 0 (5) Şekil 2. Gerilim uzay vektörleri Yukarıdaki formülde 1 anahtarlama durumu 1 üreince, 2 anahtarlama durumu 2 üreince, z anahtarlama ( 0 veya 7 ) durumu 0 üreince aktif olacaktır., örnekleme periyodudur. Denklem (5) bütün bölgeler için genelleştirilğinde aşağıdaki denklem elde elir ( z = 0): ref jn k ' k+ 1 ' α + jβ = dc e + dc j(n+ 1) e. (6) ' dc = ( 2 / ) dc ve n=0,1..5 ie I,II..I bölgelere karşılık gelir. k ve k+1 komşu aktif bölgelerdeki zaman aralıklarıdır, 0 ie ıfır bölgeindeki zaman aralığıdır ve denklem (6) dan çekilerek aşağıda olduğu gibi heaplanarak bulunurlar: (n + 1) (n + 1) α in β co k = ' in dc

4 n n α in β co k+ 1 = (7) ' in dc 0 = k k + 1 Anahtarlama ayıını ve anahtarlama kayıplarını azaltmak için I, III ve. bölgeler için 1 = k, 2 = k+1 ; II, I ve I. bölgeler için 1 = k+1, 2 = k dır ve anahtarlama ıralamaları ablo 1 de verilmiştir. Bölge 0 /4 1 /2 2 /2 0 /2 2 /2 1 /2 0 /4 I II III I I ablo1. Anahtarlama ıralamaı 4. Matlab Simulink Analiz Sonuçları Matlab Simulink de yapılan analizdeki devre parametreleri olarak şebeke faz gerilimlerinin tepe değeri 80, L =5 mh, C dc = mf, R dc = 40 Ω, dc,ref = 200, = 0.5 mec (f = 2 khz) kullanılmıştır. Simulayon onuçları Şekil de verilmiştir. Şekil (a) da görüldüğü üzere DC çıkış gerilimi, itenen değer ( dc,ref ) olan 200 a çok kıa bir ürede ulaşmaktadır. Referan değere gelme ürei ve tepe değeri PI parametreleri ayarlanarak değiştirebilir. Şekil (b) de ie A fazının gerilimi ve akımı vardır; giriş güç faktörünün yaklaşık bir olduğu ve çekilen akımın inü dalgaı şeklinde olduğu görülmekter. Şekil. (a) AC/DC çeviricinin çıkış gerilimi (b) A fazının gerilimi ve akımı Şebekedeki gerilim düşmei durumunda kullanılan AC/DC çevirgecin kontrol üniteinin tepkii incelenmiştir. Şebeke faz gerilimleri 0. üncü aniyede 80 tepe değerinden 60 tepe değerine düşürülmüştür. Bu durumda itemin DC çıkış geriliminde ufak bir gerilim düşmei görülmeine rağmen çok kıa bir üre onra DC çıkış geriliminin yeniden itenen değere (200 volt) ulaştığı Şekil 4(a) da gözükmekter. Şebekenin A fazının gerilimi ve akımı, şebeke geriliminde düşme olduğu durumda incelenmiştir ve giriş güç faktörü şebekenin gerilimindeki düşme anında bile yaklaşık bir değerinde denetleyici tarafından tutulabilmekte olduğu Şekil 4(b) de görülmekter.

5 Şekil 4. (a) AC/DC çeviricinin çıkış gerilimi (b) A fazının gerilimi ve akımı 5. Sonuç Bu çalışmada rüzgar türbinine bağlı jeneratör ile şebeke araında bulunan AC/DC çeviricinin uzay vektörü modülayonu tekniği kullanılarak kontrolü Matlab ortamında analiz elmiştir. Bu kontrolde AC/DC çeviricinin çıkış gerilim değerinin referan değere gelmei itenirken, aynı zamanda giriş güç faktörünün bir ve giriş hat akımlarının da inü dalga şeklinde olmaı hedeflenmiştir. Uzay vektör modülayonu DSP gibi ayıal kontrol devreleri aracılığı ile kolayca uygulanabilir. Elde elen onuçlar götermekter ki şebeke gerilimlerinde anlık değişimler olmaına rağmen item çok kıa bir ürede referan çıkış gerilim eviyeini koruyabilmekte ve şebekeden itenen koşullarda akımların çekilmeini ağlamaktadır. Kaynaklar [1] Malinowki M. ve Bernet S., Simple Control Scheme of PWM Converter Connecting Wind urbine with Grid-Simulation Study, Norc Wind Power Conference, Chalmer Univerity of echnology, 1-24 Mart [2] Cichowla M., Malinowki M., Kazmierkowki M.P. ve Blaabjerg F., Direct Power Control for hree-phae PWM Rectifier with active filtering function, IEEE, , 200. [] Mazumder S., DSP baed implementation of a PWM ac/dc/ac converter uing pace vector modulation with primary emphai on the analyi of the practical problem involved, APEC 1997, IEEE, , [4] Patteron D. ve Jiao S., Mathematical Model and Control Sytem Deign For A hree Phae AC/DC oltage Source Converter, Journal of Electrical&Electronic Engineering, Avuturalya, [5] Sürgevil., Akpinar E., Modelling of a 5-kW Wind Energy Converion Sytem with Induction Generator and Comparion with Experimental Reult, International Journal of Renewable Energy, ol:0, no:6, , [6] Hao M., Yunping L. ve Huming C., A Simplified Algorithm for Space ector Modulation of hree-phae oltage Source PWM Rectifier, 5th Annual IEEE Power Electronic Specialit Conference, Aachen, Almanya, 2004.